RISC-V diseño básico 3: Instrucción de carga desde memoria

Summary

En este tutorial sobre el diseño básico de un procesador RISC-V, se explica cómo implementar la instrucción de carga de palabra (Load Word). Se detallan los componentes y pasos del proceso: desde la suma de un registro base y un valor inmediato para obtener la dirección de memoria, hasta la lectura de datos de la memoria y su posterior almacenamiento en un registro destino. Además, se abordan simplificaciones en el diseño, como el uso de memoria de lectura instantánea, y la gestión de señales de control como las habilitaciones de escritura en memoria y registros. El tutorial concluye con un adelanto sobre las instrucciones de almacenamiento que se cubrirán en el próximo video.

Takeaways

• 😀 El tutorial cubre el diseño básico de un procesador RISC-V, enfocándose en las instrucciones de carga de datos de memoria a registros.
• 😀 Se explica cómo la instrucción 'Load Word' (Cargar Palabra) carga datos desde la memoria a un registro destino.
• 😀 La memoria en el diseño es direccionable a nivel de bytes, lo que significa que no es necesario alinear las palabras, pero se simplifica usando accesos alineados.
• 😀 La memoria tiene lectura casi instantánea, lo que significa que los datos se obtienen sin esperar un ciclo completo de reloj.
• 😀 El diseño es monociclo, lo que implica que cada instrucción se ejecuta en un solo ciclo de reloj.
• 😀 La escritura en la memoria está sincronizada con el ciclo de reloj, pero la lectura es instantánea.
• 😀 Se utiliza un multiplexor para resolver conflictos en las líneas de datos cuando se escriben en los registros, seleccionando la fuente correcta.
• 😀 La dirección de memoria se calcula sumando el contenido de un registro base con un inmediato, y el resultado es la dirección a la que se accede.
• 😀 La unidad de control maneja las señales necesarias para seleccionar el inmediato, activar la ALU, y decidir qué datos se escribirán en los registros o en la memoria.
• 😀 Aunque el diseño usa una memoria pequeña debido a las limitaciones de la FPGA, el principio general sigue siendo aplicable a un procesador monociclo.
• 😀 En los próximos tutoriales, se explicarán las instrucciones de almacenamiento de datos en la memoria, completando el conjunto de operaciones básicas de RISC-V.

Q & A

¿Qué es la instrucción 'Load Word' en RISC-V?

La instrucción 'Load Word' en RISC-V es una operación de tipo I que permite cargar una palabra desde la memoria en un registro. Esto se hace sumando el contenido de un registro base (rs1) con un valor inmediato, y utilizando la dirección resultante para acceder a la memoria.

¿Qué campos componen la instrucción 'Load Word' en RISC-V?

La instrucción 'Load Word' tiene tres componentes principales: el registro fuente 1 (rs1), el valor inmediato (que se extiende con signo) y el registro destino (rd) en el que se almacena el dato cargado desde la memoria.

¿Cómo se calcula la dirección de memoria en la instrucción 'Load Word'?

La dirección de memoria se calcula sumando el valor del registro fuente 1 con el inmediato. Por ejemplo, si el valor del registro fuente 1 es 24 y el inmediato es 8, la dirección de memoria resultante será 32.

¿Cuál es la característica de la memoria en este diseño de procesador RISC-V?

La memoria está diseñada para ser direccionable a nivel de bytes, pero en este diseño específico se simplifica al trabajar solo con direcciones alineadas a palabras, es decir, direcciones que son múltiplos de 4 bytes.

¿Cómo se maneja el acceso a la memoria en este diseño del procesador?

El acceso a la memoria es casi instantáneo, sin necesidad de esperar un ciclo de reloj adicional. La memoria proporciona el dato en el mismo ciclo en que se realiza la consulta, lo que simplifica el diseño del procesador.

¿Qué es un procesador monociclo y por qué se usa en este diseño?

Un procesador monociclo es aquel que ejecuta cada instrucción en un solo ciclo de reloj. Este diseño se usa para simplificar la arquitectura del procesador, aunque tiene algunas limitaciones en términos de rendimiento y escalabilidad.

¿Por qué se utiliza un multiplexor en el diseño del procesador?

El multiplexor se utiliza para seleccionar qué dato se debe introducir en el banco de registros, ya que tanto la memoria como otros componentes pueden generar datos que deben ser escritos en el mismo registro. El multiplexor resuelve el conflicto seleccionando la fuente correcta.

¿Cómo se controla la escritura en los registros y en la memoria?

La unidad de control gestiona la habilitación de escritura (write enable) tanto para la memoria como para los registros. Cuando se realiza una operación de carga, la unidad de control desactiva la escritura en la memoria (wem) y activa la escritura en el banco de registros (wer).

¿Qué diferencias hay entre las instrucciones de tipo R, tipo I de cómputo y tipo I de carga?

Las instrucciones de tipo R realizan operaciones entre dos registros. Las instrucciones de tipo I de cómputo involucran un registro y un valor inmediato. Las instrucciones de tipo I de carga, como 'Load Word', calculan una dirección de memoria sumando un registro con un valor inmediato, luego cargan el dato de la memoria en un registro destino.

¿Cuáles son las limitaciones de este diseño de procesador RISC-V?

Este diseño es muy simplificado y asume una memoria pequeña y una velocidad de acceso instantáneo, lo que no refleja un procesador real, que tendría retrasos de acceso y mayor capacidad de memoria. Además, se asume que solo se usan palabras alineadas, lo que limita la flexibilidad en el acceso a la memoria.